在茫茫的宇宙中,地球渺小得就像是一顆塵埃,人類當然不甘心一直都待在地球上,幾十年前人類就親自登上了月球,下一步應該就是去更遠的星球溜達了,去哪顆星球好呢?
盡管金星的運行軌道距離地球最近,但金星上表面的大氣壓高達地球的92倍,溫度更是接近500攝氏度,如此惡劣的自然環境,就算是人類的探測器都堅持不了多久,人類就更不用提了,于是人類就隻能把目光投向距離地球更遠一點的那顆星球——火星 。
在太陽系所有已知的岩石星球中,與地球的自然環境最相似的就是火星了,探測數據表明,火星也有大氣層,也有一年四季,甚至自轉周期也與地球差不多,雖然火星大氣很稀薄并且幾乎沒有氧氣,表面平均溫度也比地球低得多,但在宇航服的保護下,人類還是可以在火星上去溜達一圈的。
以人類目前的科技,如果人類要親自登上火星,需要多長時間呢?
如上圖所示,在圍繞太陽公轉的過程中,火星與地球的距離并不是固定的,這個距離最遠有大約4億公裡,最近則隻有大約5500萬公裡,所以人類最好在火星距離地球的最近的時候去登陸火星,不過這個時機并不常見,大約每26個月才會出現一次,這也被稱為“發射窗口”。
從理論上來講,宇宙飛船沿着直線飛向火星所需要的時間是最短的,然而我們都知道,在人類向火星發射過的衆多探測器中,沒有任何一個是這樣飛的,那探測器到火星為啥不飛直線呢?
簡單來講就是,地球一直在以大約29.8公裡/秒的平均速度圍繞着太陽公轉,而從地球發射的宇宙飛船,其本身也具備了這樣的速度,這就意味着,如果宇宙飛船想要直線飛往火星,就必須要巨大的動力來“抵消”地球的公轉速度,而“抵消”了地球的公轉速度,宇宙飛船又必須要用自身的動力去直接對抗太陽的引力,以人類目前的推進系統來講,這根本就無法做到。
實際上,我們根本不用去“抵消”地球的公轉速度,在宇宙飛船進入近地軌道之後,隻需要在地球公轉速度的基礎上再加上一部分額外的速度,就可以将自身軌道的遠地點“擡升”到火星的運行軌道,在這種情況下,隻要計算好“提前量”,就可以完成從地球飛到火星的任務了。
上圖為目前飛往火星的三種可選航線,其中航線A、B、C分别被稱為“霍曼轉移軌道”(Hohmann transfer orbit)、“快速合點航行”(Fast conjunction mission)和“沖點航行”(Opposition mission)。
在這三種航線之中,“沖點航行”所需要的能量是最少的,因為這其實是宇宙飛船去金星那裡兜了一圈,利用了金星的“引力彈弓”給自己加速,然而這也是最耗時的,以這種航線飛行,飛到火星需要一年以上的時間,這顯然是不适合載人飛行的。
另兩種航線也被稱為“地火轉移軌道”,其中的“霍曼轉移軌道”是最節省燃料的,以這種航線飛行,從近地軌道出發的宇宙飛船隻需要3.3公裡/秒的速度增量就可以抵達火星,不過這種航線需要的時間也比較長,要250天左右才能飛到火星。
如果宇宙飛船的推進系統可以提供更高的速度增量,那麼就可以采用“快速合點航行”了,以這種航線飛行,速度增量提升的幅度越大,飛到火星的時間就越短,例如當宇宙飛船的速度增量為6公裡/秒時(從近地軌道出發),飛到火星的時間就大約為180天。
如果人類要親自登上火星,就應該盡量縮短飛到火星時間,所以就應該采用“快速合點航行”,以人類目前的科技來看,化學火箭仍然是首選的推進系統,而化學火箭的比沖量最多也就隻能達到400多秒,也就是說,化學火箭能夠提供的動力是非常有限的。
(注:“比沖量”是一種衡量火箭發動機效率的物理參數,是指單位推進劑所産生的沖量,其單位為秒,如果用重量描述的話,我們可以簡單地将“比沖量為400多秒”理解為:每1公斤推進劑可以持續産生400多秒大小為1公斤的推力)
在此基礎上,還需要考慮載人宇宙飛船的有效載荷相對較大,所以科學家給出的估算值是,以人類目前的科技來講,載人宇宙飛船飛到火星至少需要200天左右。可以看到,200天的時間對于人類而言依然顯得很是漫長,而這也正是人類遲遲沒有親自登上火星的重要原因。
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